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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司高德民

關(guān)鍵詞：儀控系統(tǒng)；模擬系統(tǒng)；數(shù)字化改造；策略；風(fēng)險

1　引言

我國在建以及在役的核電站目前已居于世界前列，隨著時間的推移以及技術(shù)的進(jìn)步，在役的電站陸續(xù)都面臨改造問題，尤其是上世紀(jì)九十年代運(yùn)營至今的核電站，其儀控系統(tǒng)多采用模擬技術(shù)設(shè)計，更面臨整體技術(shù)的更新?lián)Q代，即進(jìn)行數(shù)字化改造。NB/Z20250指出更新改造的動因主要出于經(jīng)濟(jì)性和安全性兩個方面的考慮。用更先進(jìn)的設(shè)備替代原有的儀控設(shè)備，通常可增加系統(tǒng)的功能和改進(jìn)系統(tǒng)的性能，但多數(shù)情況下，進(jìn)行設(shè)備升級的主要原因是由于舊設(shè)備存在問題而不是出于新設(shè)備可帶來的收益^[1]。儀控系統(tǒng)的主要問題多集中在儀控設(shè)備老化和面臨設(shè)備停產(chǎn)。另外，基于模擬技術(shù)的儀控系統(tǒng)也限制了進(jìn)一步提高儀控系統(tǒng)性能和提升電站自動化水平。與模擬技術(shù)相比，數(shù)字化技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，其應(yīng)用不僅有利于改善核電站的安全狀況及穩(wěn)定運(yùn)行水平，對于解決備件問題、優(yōu)化人機(jī)接口，以及減少人因事故也具有重要意義。因此，當(dāng)前模擬儀控系統(tǒng)的數(shù)字化整體改造也都逐步在執(zhí)行，但該類改造因涉及范圍較大，會面臨更多的改造風(fēng)險，需要提前考慮應(yīng)對。本文對模擬儀控系統(tǒng)的數(shù)字化改造實施策略提出了建議，并對存在的風(fēng)險進(jìn)行了分析和給出了應(yīng)對措施。

2　模擬儀控系統(tǒng)改造實施策略

作為核電站的“神經(jīng)中樞”的儀控系統(tǒng)，其控制著數(shù)百個系統(tǒng)和近萬個設(shè)備的運(yùn)行。根據(jù)對核電站這些系統(tǒng)或設(shè)備改造的調(diào)研結(jié)果，模擬儀控系統(tǒng)改造實施的策略基本可分類為如表1所示的5種具體情況。

表1 改造實施策略

注：備品備件指原物項，全新物項指非原物項但可替代原物項，單元整體指機(jī)箱不見組合，機(jī)柜整體指成套整體單機(jī)柜，系統(tǒng)整體指完整系統(tǒng)設(shè)備（一般包含多機(jī)柜）。

其中，（1）、（2）不涉及I&C系統(tǒng)整體架構(gòu)的變化，可保持當(dāng)前功能分配和設(shè)計基準(zhǔn)（縱深防御和多樣性等）不變。其他幾類可能需要升版整個I&C系統(tǒng)架構(gòu)，并進(jìn)行可靠性、故障和危險分析。對于（3）、（4）、（5）則還需要區(qū)分，是對一個單一I&C系統(tǒng)的改造，還是將多個分散的I&C系統(tǒng)集成到一個新的I&C系統(tǒng)中（這可能會對安全原則提出挑戰(zhàn)，如縱深防御和多樣性）。

2.1　備品備件替換

備品備件即應(yīng)用原物項（原設(shè)備供應(yīng)商提供的相同型號的物項）進(jìn)行替換，通常用于應(yīng)對設(shè)備發(fā)生單一隨機(jī)故障。

對于暫未停產(chǎn)設(shè)備可通過老化更換進(jìn)行預(yù)防性維修以降低故障率，對于已經(jīng)停產(chǎn)或者即將停產(chǎn)設(shè)備，可通過物項替代、反向設(shè)計或者老化翻新維修暫時解決備件問題。但該措施只能維持原系統(tǒng)的性能，長期來看，只能通過數(shù)字化改造才能徹底解決。

2.2　全新物項替代

為了解決備品備件短缺或價格過于昂貴的問題，一般也會采用相同功能的全新部件進(jìn)行等效替代^[2]。基于不同應(yīng)用場景，通常可采用如表2所示的方式。

表2 全新物項替代執(zhí)行方式

為保證可實現(xiàn)替代，采購物項需要與原部件進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)分析對比，并對安裝該部件的原設(shè)備的鑒定性能（環(huán)境、抗震、EMC）進(jìn)行影響評估，必要時需搭建環(huán)境與相關(guān)設(shè)備連接后執(zhí)行功能、性能、接口驗證。

2.3　單元整體替代

如果涉及對多模塊進(jìn)行功能改造，可能會應(yīng)用到儀控單元替換，例如機(jī)籠整體替換。基于不同應(yīng)用場景，通常可采用如表3所示的方式。

表3 單元整體替代執(zhí)行方式

替換單元需要與原功能模塊進(jìn)行功能分析對比，并與未執(zhí)行改造的關(guān)聯(lián)單元進(jìn)行匹配性評估，還需要對安裝該儀控單元的原設(shè)備的鑒定性能（環(huán)境、抗震、EMC）進(jìn)行影響評估，必要時需搭建環(huán)境與相關(guān)設(shè)備連接后執(zhí)行功能、性能、接口驗證。如果涉及軟件開發(fā)，應(yīng)按照安全級設(shè)計流程開展軟件開發(fā)工作。

2.4　機(jī)柜整體改造

在更多的改造項目中，通常會對一個或幾個機(jī)柜整體進(jìn)行更新改造，此時應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計流程開展改造設(shè)計工作，并需評估改造后機(jī)柜對相鄰或相關(guān)設(shè)備，以及電廠環(huán)境的影響，包括用電負(fù)荷、散熱量、樓板承載等。

對于安全級改造，機(jī)柜內(nèi)數(shù)字化設(shè)備通常應(yīng)采用成熟的安全級DCS平臺實現(xiàn)，而相關(guān)的電氣部件（如電源、斷路器、繼電器等）通常需采購商品級部件，通過執(zhí)行適用性確認(rèn)（CGD）驗證。

2.5　系統(tǒng)整體改造

對于執(zhí)行規(guī)模更大的系統(tǒng)整體改造，例如保護(hù)系統(tǒng)（RPS）整體改造，應(yīng)嚴(yán)格按照安全級設(shè)計流程開展改造設(shè)計工作，并應(yīng)完成縱深防御和多樣性（DiD）分析，以及對電站整體安全分析（PSA）的影響。

對于安全級改造，系統(tǒng)內(nèi)數(shù)字化設(shè)備通常應(yīng)采用成熟的安全級DCS平臺實現(xiàn)，而相關(guān)的電氣部件（如電源、斷路器、繼電器等）通常需采購商品級部件，通過執(zhí)行適用性確認(rèn)（CGD）驗證。

3　數(shù)字化改造考慮因素

當(dāng)前我國核電站進(jìn)行儀控系統(tǒng)設(shè)計或改造時主要遵照《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》（HAF102）《核動力廠運(yùn)行安全規(guī)定》（HAF103）等相關(guān)法規(guī)要求開展相關(guān)工作，所以進(jìn)行核電站模擬儀控系統(tǒng)改造時，需對以下因素重點(diǎn)考慮：

3.1　設(shè)計要求

對于運(yùn)行時間很長的電站，例如使用模擬儀控系統(tǒng)運(yùn)行超過30年的核電站，其當(dāng)初施工的工程方法和當(dāng)前工程方法會存在很大不同，且期間發(fā)生了很多技術(shù)革新以及相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的升版。因此原設(shè)計要求可能很多不再適用，必須考慮與當(dāng)前最新的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合。

儀控系統(tǒng)的安全分級是更新改造面臨的首要問題，系統(tǒng)的安全分級規(guī)定了儀控系統(tǒng)生命周期要求的資質(zhì)和質(zhì)量保證。近年發(fā)布的SSG-30、IEC61226等對安全分級要求有了很大調(diào)整，考慮了功能與預(yù)期運(yùn)行事件（PIE）之間的關(guān)系，以及功能未執(zhí)行的后果嚴(yán)重程度。首先，所有的儀控系統(tǒng)或設(shè)備功能（準(zhǔn)備改造的）都必須要識別、說明并分類。這樣具體的儀控系統(tǒng)或設(shè)備功能規(guī)格要求通常不同于舊電站，但監(jiān)管機(jī)構(gòu)可能期望形成一套完整的現(xiàn)代化設(shè)計體系。

除安全分級外，縱深防御和多樣性的設(shè)計也是需要面對的一大問題。福島事故后，核安全法規(guī)已對縱深防御要求進(jìn)行了修訂。更新改造時，必須要考慮縱深防御和多樣性的要求，可能需要增配獨(dú)立的多樣性系統(tǒng)。

3.2　設(shè)計文檔

早期建成電站的生命周期過程要求的文件范圍與當(dāng)前可能存在較大差異，之前整體架構(gòu)設(shè)計文檔和規(guī)范可能普遍不再適用。原有竣工文件的不完整也會對更新改造的實施帶來很大的挑戰(zhàn)，具體的影響還取決于更新改造的范圍和類別。另外，在運(yùn)行期間，可能執(zhí)行了很多修改或優(yōu)化，而相應(yīng)的文檔可能沒有全部對應(yīng)升版。變更文檔的缺失可能導(dǎo)致更新改造基于不正確的設(shè)計輸入。

3.3　物理配置

應(yīng)識別電站中安裝的所有部件，要求對電站中安裝的所有安全級和非安全級部件全覆蓋，包括相關(guān)系統(tǒng)的標(biāo)識、位置、部件類型、版本、模塊編號等。如果準(zhǔn)備執(zhí)行整體改造，則需重點(diǎn)對線纜及端接相關(guān)信息勘察清楚，因為經(jīng)驗表明，線纜及端接是影響改造實施的關(guān)鍵因素。

3.4　改造過程

HAD103/14要求，修改應(yīng)當(dāng)滿足核動力廠質(zhì)量保證大綱和程序、工作管理體系等要求；應(yīng)當(dāng)全面評價修改的后果，并確定出修改的邊界和影響（包括實體、系統(tǒng)和控制的邊界，以及修改實施的環(huán)境條件）；應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)貙彶樾薷膶藙恿S安全造成的所有影響并完成必要的安全分析，確保修改滿足安全基準(zhǔn)^[4]。質(zhì)量保證工作過程是用戶和供應(yīng)商必須開發(fā)和遵循的。確定設(shè)計要求和工程的生命周期過程至關(guān)重要，包括質(zhì)保大綱、質(zhì)量計劃、配置管理和工程管理要求。

在充分考慮效益產(chǎn)出比預(yù)算滿足的情況下，儀控系統(tǒng)更新改造的范圍和類型是整體工作過程復(fù)雜性的重要因素。對于新儀控系統(tǒng)的實施（機(jī)柜、系統(tǒng)替換），需要用戶評估改造范圍相關(guān)的所有SSC（系統(tǒng)、構(gòu)筑物、部件）和專業(yè)的影響，通常包括如下方面的重新評估：

（1）儀控系統(tǒng)功能規(guī)格（包括儀控系統(tǒng)功能分配到不同的縱深防御層次、安全分類）；

（2）隔離準(zhǔn)則（關(guān)于房間/電纜橋架的實體分隔、電氣隔離、功能獨(dú)立性和通信獨(dú)立性）；

（3）多樣性準(zhǔn)則（設(shè)備、設(shè)計、功能、人因等）；

（4）人機(jī)接口（報警、電廠運(yùn)行等）；

（5）信息安全（訪問、網(wǎng)絡(luò)控制等）；

（6）運(yùn)行和維護(hù)（定期試驗等）；

（7）供電系統(tǒng)（電源、環(huán)境條件等）；

（8）內(nèi)部和外部危害（地震、火災(zāi)、導(dǎo)彈等）；

（9）接口匹配（改造需要盡量匹配已有設(shè)備的控制接口和信號類型）；

（10）安裝空間（改造后的儀控設(shè)備布置需盡量適應(yīng)已有土建結(jié)構(gòu)）；

（11）現(xiàn)場改造時間窗口（改造時間需滿足在役電站預(yù)留時間窗口）。

根據(jù)當(dāng)前電廠文檔的質(zhì)量和范圍，可能需要進(jìn)行全面的重新設(shè)計。范圍越復(fù)雜，相關(guān)方的互動就需要越多，尤其是用戶和供應(yīng)商的密切合作，聯(lián)合執(zhí)行工作，并明確各自的職責(zé)任務(wù)。

配置管理（CM）是每個更新改造的必備條件，包括已安裝的SSC的信息和有效的系統(tǒng)文件的修訂版。CM還將進(jìn)一步監(jiān)督配置變更控制、狀態(tài)記錄和發(fā)布管理。所有相關(guān)方必須在整個工程生命周期內(nèi)支持CM的工作過程，相關(guān)方的協(xié)調(diào)至關(guān)重要。

3.5　人員技能

當(dāng)前主要相關(guān)方（監(jiān)管機(jī)構(gòu)、用戶、供應(yīng)商）面臨人員技能方面的挑戰(zhàn)。對技能的挑戰(zhàn)不僅與新技術(shù)或工程方法的應(yīng)用有關(guān)，事實上，最關(guān)鍵的方面在于對幾十年前的電站設(shè)計知識的丟失，包括整個與I&C相關(guān)的活動相關(guān)知識。例如對某個模塊的實際技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)知識，基于模塊特性可以實施專用的設(shè)計支持應(yīng)用，而這些特性可能不會記錄在模塊的產(chǎn)品手冊中，但只有原始設(shè)計人員知道，而缺失或錯誤的理解可能會導(dǎo)致改造錯誤。

另外由于核電行業(yè)的特殊性以及福島核事故等影響，核電從業(yè)者可能被迫數(shù)量減少。退休或離開的專家可能沒有得到充分的補(bǔ)充，知識技能沒有得到繼承便會造成重大的風(fēng)險。而且專家通常了解各個專業(yè)領(lǐng)域（例如設(shè)計、分析、安裝、調(diào)試），而當(dāng)前員工可能只關(guān)注自己的專項工作領(lǐng)域，而沒有獲得自己工作外的知識。而對于復(fù)雜度高的改造，要求工程師涵蓋整個工程范圍。因此缺少專家的支持，項目執(zhí)行過程中會面臨很多挑戰(zhàn)。

4　改造風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

為確保核電站改造的高效、順利完成，保障核電站的安全運(yùn)行，在改造過程中將風(fēng)險分析和規(guī)劃應(yīng)對列為實施的關(guān)鍵，以下是主要的風(fēng)險分析及應(yīng)對措施：

（1）技術(shù)風(fēng)險。受限于電廠建設(shè)時期已有的設(shè)計基準(zhǔn)與系統(tǒng)配置，存在與當(dāng)前數(shù)字化的一些標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)和設(shè)計準(zhǔn)則不符合因素導(dǎo)致的技術(shù)風(fēng)險，例如儀控的安全分級原則、儀控縱深防御層次、各儀控系統(tǒng)接口關(guān)系等，必須在已有電站設(shè)計基礎(chǔ)上，滿足當(dāng)前數(shù)字化的一些標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)和設(shè)計準(zhǔn)則，進(jìn)行數(shù)字化改造的儀控總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；另外，存在通訊接口風(fēng)險，改造需要盡量匹配已有設(shè)備的控制接口和信號類型。而且改造的儀控系統(tǒng)與其他儀控系統(tǒng)改造窗口和實施設(shè)備平臺可能不同，兩者之間的通信接口兼容性要提前考慮，并應(yīng)留有后續(xù)適應(yīng)全廠數(shù)字化改造的接口，以避免這些系統(tǒng)多次改造。

（2）安裝空間風(fēng)險。當(dāng)前已有房間的預(yù)埋、橋架布置難以改造，存在無法滿足改造后的設(shè)備布置，需提前調(diào)研現(xiàn)有土建、橋架等已有結(jié)構(gòu)定制開發(fā)部分產(chǎn)品。

（3）現(xiàn)場改造工期風(fēng)險。在役電站改造為現(xiàn)場調(diào)試預(yù)留的時間很短，而改造工作密度極高，存在工期不足風(fēng)險，因此需提前對改造后設(shè)備進(jìn)行充分的功能、性能及接口驗證，搭建原型系統(tǒng)及測試工作，同時安排精兵強(qiáng)將，合理安排工序，對各類工況進(jìn)行模擬試驗驗證，可有效應(yīng)對工期帶來的風(fēng)險。

5　結(jié)束語

模擬儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造通常首先考慮采用最小代價解決現(xiàn)場問題。在機(jī)組投入運(yùn)行的初期階段，各設(shè)備狀態(tài)相對穩(wěn)定，對于隨機(jī)故障只需執(zhí)行替代工作。隨著時間的推移，其面臨監(jiān)管要求提升、停產(chǎn)停服等情況，則不得不執(zhí)行系統(tǒng)級改造。系統(tǒng)級改造因涉及范圍較大，需要考慮各種影響因素，以應(yīng)對人員、技術(shù)、設(shè)備等方面可能存在的各種風(fēng)險，在實際執(zhí)行改造時還需提前調(diào)研結(jié)合現(xiàn)場情況有針對性地制定更為具體的應(yīng)對措施。

作者簡介：

高德民（1977-），男，山東濟(jì)南人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事于核電DCS項目管理工作。

參考文獻(xiàn)：

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[4] HAD103/14-2023, 核動力廠修改的管理[S].

摘自《自動化博覽》2024年6月刊